CN111304759B - 一种聚酯工业丝的拉伸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚酯工业丝的拉伸方法，根据熔纺工业丝的技术路线，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，并提高第二辊速度，增大这一段拉伸倍率的同时、保持较低的拉伸应力，使纤维具有低结晶度、高取向度的结构特点。本发明还提供一种基于上述拉伸方法的聚酯工业丝的制造方法，挤出成形且集束后的聚酯纤维在经湿热拉伸后，继续进行热拉伸和热定型，得到纤维结构和性能均匀的聚酯工业丝。

Description

一种聚酯工业丝的拉伸方法

技术领域

本发明属纤维制备技术领域，涉及一种聚酯工业丝的拉伸方法，是使聚酯工业丝挤出成形后的纤维具有低结晶度、高取向度的结构特点的拉伸方法，具体是在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸的方法。

背景技术

利用高分子量的聚酯进行熔融纺丝制备高性能纤维，具有生产过程环保、工艺流程短、速度高、效率高的优点，所制备的纤维多数用作橡胶骨架材料、土工布、传输带、缆绳、帆布、安全带、安全气囊等领域，习惯上称为工业丝，这类纤维的强度大多数高于7.5cN/dtex，另外还具有较高的模量、较低的断裂伸长率和热收缩率的特点。对比其它高性能纤维，虽然在性能上不是最为突出的，但如果把生产成本考虑在内，被称为性价比最高的高性能纤维。

然而，随着聚酯工业丝应用领域的拓展，客户的要求不断提升，在满足基本力学性能的前提下，一些应用领域要求更高的耐磨性和使用稳定性，这实际上要求工业丝有更高的均匀性，且这种均匀性不仅仅局限于束丝的线密度不匀率、强伸不匀率、热收缩不匀率以及条干不匀率，还必须提高束丝中每根丝的均匀性、单根丝的径向均匀性、甚至是微米和亚微米尺度上的微观结构均匀性。

为达到上述目标，已有的生产技术从提高熔体均匀性、熔体制备和输送设计的控制均匀性、喷丝孔分布和结构优化、冷却成形和热拉伸、热定型设备和工艺等方面都采取了很多改进措施，降低线密度、强伸和条干不匀率；然而，对于熔纺工业丝，相对来说束丝根数多、单根丝直径较大，其微观结构的均匀性很难通过上述措施得到提高。为此，研究人员开始尝试新的工艺技术路线，克服空气冷却和干热拉伸造成的微观结构不均匀性问题。资料显示，在纺丝成形的过程中，增加液体浴(LIB)，可以获得纤维径向均匀、分子链取向程度高的纤维，通过后续较低倍数的热拉伸和热定型，就可以获得高强度、高模量的PET、PEN工业丝。另外，还有资料公开的技术方法是，在FDY的设备上，对于成形之后的纤维，由喷嘴对纤维加特定组成的水，且将第一热辊由一组陶瓷棒替代并调节张力，进行常温拉伸，称为水膜拉伸工艺，在第二热辊上进行热定型，拉伸过程张力均匀、稳定、不易毛丝断头，获得纤维染色均匀。

上述技术在提高纤维微观结构均匀性方面的先进性是显而易见，但是上述技术很难广泛推广，其根本原因在于：1)在纤维凝固之前增加水浴，大大增加了纺程应力，从而提高纤维的取向程度，因凝固之前丝条沿纺程的温度、应力、速度等都是变化的且呈现连续的梯度变化，也就是说这一阶段是非等温过程，研究者也指出，水浴在纺程上的位置、长度、温度等都会影响纤维的结构和性能，这就给实际生产的合理控制带来太多的不确定性。2)FDY的水膜拉伸工艺是对已经有高度取向的纤维进行水膜拉伸，其目标是提高民用丝的染色均匀性，对水膜的组成有特别的要求，需要添加助剂提高纤维的水含量达到常温拉伸的目的，助剂的引入不仅增加原料成本、且在生产和后加工过程中都要考虑到助剂的处理问题，会造成不必要的二次污染。

发明内容

为克服现有技术的局限性，本发明的目的是提供一种聚酯工业丝的拉伸方法，根据熔纺工业丝的技术路线，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，并提高第二辊速度，增大这一段拉伸倍率的同时、保持较低的拉伸应力，使纤维具有低结晶度、高取向度的结构特点。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述拉伸方法的聚酯工业丝的制造方法，挤出成形且集束后的聚酯纤维在经湿热拉伸后，继续进行热拉伸和热定型，得到纤维结构和性能均匀的聚酯工业丝。

现有的聚酯工业丝生产技术，在挤出拉伸冷却成形后，从第一辊(65℃左右)到第二辊(95℃左右)之间是空气，到达第二辊时温度上升到聚酯的玻璃化转变温度之上，为后续的多级多倍拉伸做准备，可称为预拉伸，拉伸倍率一般为1.05倍左右，受丝条低结晶、低取向的结果限制，二辊温度和拉伸倍率都只能限定很窄的范围内，其问题是：一是空气和聚酯本身导热系数小，容易导致纤维受热不均匀，二是若热辊温度过高或者倍率过小容易造成部分分子链段的解取向，三是若热辊温度过低或者倍率过大容易造成纤维局部拉伸不均匀，两者都不利于后续热拉伸的顺利进行，甚至会导致最终纤维的不匀率增加。在第一和第二辊之间进行湿热拉伸，利用导热系数大的水汽，提高纤维的受热均匀性，纤维间和单根纤维径向的温度均匀性都提高，避免局部温度低造成的高应力问题，解决拉伸不均匀的问题，同时增大这一段的拉伸倍率、防止解取向的发生，可获得低结晶度、高取向度的纤维，利于后续热拉伸。

本发明的一种聚酯工业丝的拉伸方法，所述拉伸为湿热拉伸，挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，具体条件为：湿度100％，温度80～98℃；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度0～5％、双折射率0.04～0.08和非晶区的反式构象含量40～75％，双折射率反映的是聚酯纤维晶区和非晶区分子链段沿纤维轴向排列的总体情况，非晶区的反式构象反映的是纤维非晶区的分子链段的伸直情况，结晶度不高且非晶区反式构象含量越高，说明纤维中分子链段排列均匀程度高、缺陷少，有利于后续热拉伸和热定型后制备高度均匀的纤维。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，聚酯特性粘度为0.9～1.2dL/g。

如上所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，所述湿热拉伸倍率：1.1～3.5倍。在温度偏低的情况下，采用低的拉伸倍数，在温度偏高的情况下，采用高的拉伸倍数；当拉伸倍率过小，双折射率和非晶区的反式构象含量会降低，当拉伸倍率过大，结晶度会大大增加。

如上所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，所述湿热拉伸在第一辊和第二辊之间进行：第一辊的速度为500～2000m/min，温度60～75℃，第二辊的速度为550～2500m/min，温度90～120℃。低温对应于低速，高温对应于高速，目的是控制纤维湿热拉伸过程中的应力。

如上所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，所述湿热拉伸段长度为0.4～0.8米。长度的设定与上述速度和温度相对应，速度低、温度低时，则采用较长的长度。

本发明的聚酯工业丝的制造方法：经湿热拉伸后的纤维，继续进行热拉伸和热定型，后续热拉伸级数的设定可以采取两种方式，一是现有的两级热拉伸，或者是改进为一级热拉伸，得到聚酯工业丝的单丝纤度为2.2～9.6dtex，断裂强度为8.0～8.8cN/dtex，断裂伸长率为10～24％，断裂强度不匀率≤3％，断裂伸长不匀率≤5％。

如上所述的聚酯工业丝的制造方法，所述热拉伸的倍率为1.4～5.5倍，热拉伸温度为135～195℃。

如上所述的聚酯工业丝的制造方法，所述热定型的条件：温度为150～165℃。

有益效果：

(1)本发明的一种聚酯工业丝的拉伸方法，在后续热拉伸之前获得低结晶、高取向的纤维，用以制备高性能聚酯工业丝；本发明的拉伸方法切实可行。

(2)本发明的一种聚酯工业丝的制造方法，工艺独特，制得的聚酯工业丝断裂强度高，断裂强度不匀率小，断裂伸长不匀率低。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为1.05dL/g的聚酯，经过305℃的纺丝组件挤出，挤出速率为3m/min，第一辊速度500m/min、温度70℃，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，湿热拉伸条件为：环境相对湿度100％、环境温度90℃，第二辊速度850m/min、温度90℃，得到的聚酯纤维的结晶度为2％，双折射率为0.05，非晶区的反式构象含量为60％。

对比例1

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为1.05dL/g的聚酯，经过300℃的纺丝组件挤出，挤出速率为3m/min，第一辊速度为500m/min、温度为70℃，第二辊速度为525m/min、温度为95℃，得到纤维的结晶度为8％，双折射率为0.02，非晶区的反式构象含量为20％。

实施例2

一种聚酯工业丝的制造方法，是将特性粘度为0.9dL/g的聚酯，经过295℃的纺丝组件挤出，挤出速率为3.2m/min，第一辊速度500m/min、温度60℃，第二辊速度550m/min、温度90℃，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，湿热拉伸条件为：环境相对湿度100％、环境温度80℃，此时纤维的结晶度0％、双折射率0.04、非晶区的反式构象含量40％，继而通过第三热辊进行热拉伸、通过第四热辊热拉伸、通过第五热辊热定型：热拉伸条件为，第三热辊温度135℃，第三热辊速度为2300m/min，第四热辊温度190℃，第四热辊速度为3200m/min；热定型条件为：第五热辊温度165℃，第五热辊速度为3150m/min，获得的聚酯纤维的单丝纤度为2.2dtex，断裂强度为8.0cN/dtex，断裂伸长率为24％，断裂强度不匀率为1.5％，断裂伸长不匀率为3％。

对比例2

一种聚酯工业丝的制造方法，是将特性粘度为0.9dL/g的聚酯，经过295℃的纺丝组件挤出，挤出速率为3.2m/min，第一辊速度500m/min、温度60℃，第二辊速度525m/min、温度95℃，得到结晶度3％、双折射率0.016、非晶区的反式构象含量18％。继而通过第三热辊、第四热辊进行热拉伸、第五热辊进行热定型：热拉伸条件为，第三热辊温度130℃，第三热辊速度为2200m/min，第四热辊温度230℃，第四热辊速度为3200m/min；热定型条件为：第五热辊温度150℃，第五热辊速度为3150m/min，获得的聚酯纤维的断裂强度为7.6cN/dtex，断裂伸长率为14％，断裂强度不匀率为5.5％，断裂伸长不匀率为7.5％。

实施例3

一种聚酯工业丝的制造方法，是将特性粘度为1.2dL/g的聚酯，经过315℃的纺丝组件挤出，挤出速率为9.5m/min，第一辊速度2200m/min、温度75℃，第二辊速度2200m/min、温度120℃，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，湿热拉伸条件为：环境相对湿度100％、环境温度98℃，此时纤维的结晶度5％、双折射率0.08、非晶区的反式构象含量75％，继而通过第三热辊进行热拉伸、通过第四热辊进行热定型：热拉伸条件为，第三热辊温度195℃，第三热辊速度为3080m/min；热定型条件为：第四热辊温度160℃，第四热辊速度为3000m/min，获得的聚酯纤维的断裂强度为8.8cN/dtex，断裂伸长率为10％，断裂强度不匀率为3％，断裂伸长不匀率为5％。

对比例3

一种聚酯工业丝的制造方法，是将特性粘度为1.2dL/g的聚酯，经过315℃的纺丝组件挤出，挤出速率为9.5m/min，第一辊速度2200m/min、温度75℃，第二辊速度2300m/min、温度105℃，得到结晶度12％、双折射率0.035、非晶区反式构象含量32％。继而通过第三热辊、第四热辊进行热拉伸、第五热辊进行热定型：热拉伸条件为，第三热辊温度140℃，第三热辊速度为2500m/min，第四热辊温度230℃，第四热辊速度为3200m/min；热定型条件为：第五热辊温度160℃，第五热辊速度为3150m/min，获得的聚酯纤维断裂强度为8.4cN/dtex，断裂伸长率为15％，断裂强度不匀率为3.8％，断裂伸长不匀率为7.2％。

从对比例2和3可以看出，由于没有经过湿热拉伸，在第三辊之前所形成的纤维分子链段取向程度低，其第三热辊的温度不能提高，所以与实施例2和3的工艺条件不一致，最终所得聚酯工业丝强度和伸长不匀率都偏高。

实施例4

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为0.95dL/g的聚酯挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行倍率为1.1倍湿热拉伸，湿热拉伸段长度为0.4米，具体条件为：湿度100％，环境温度85℃，第一辊的速度为550m/min，第一辊的温度70℃，第二辊的速度为900m/min，第二辊的温度95℃；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度2.5％、双折射率0.06和非晶区的反式构象含量60％；

经湿热拉伸后的纤维，继续进行总倍率为1.45倍的热拉伸(热拉伸分两级：第一级热拉伸温度为150℃，拉伸倍率为1.2倍；第二级热拉伸温度为165℃)和温度为155℃的热定型，得到聚酯工业丝的单丝纤度为2.5dtex，断裂强度为8.2cN/dtex，断裂伸长率为15％，断裂强度不匀率为2.6％，断裂伸长不匀率为4.6％。

实施例5

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为0.9dL/g的聚酯挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行倍率为1.8倍湿热拉伸，湿热拉伸段长度为0.5米，具体条件为：湿度100％，环境温度80℃，第一辊的速度为500m/min，第一辊的温度60℃，第二辊的速度为600m/min，第二辊的温度90℃；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度0.5％、双折射率0.05和非晶区的反式构象含量45％；

经湿热拉伸后的纤维，继续进行总倍率为2.5倍热拉伸(热拉伸分两级：第一级热拉伸温度为135℃，拉伸倍率为1.2倍；第二级热拉伸温度为140℃)和温度为150℃的热定型，得到聚酯工业丝的单丝纤度为2.2dtex，断裂强度为8cN/dtex，断裂伸长率为24％，断裂强度不匀率为3％，断裂伸长不匀率为3％。

实施例6

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为1.2dL/g的聚酯挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行倍率为2.5倍湿热拉伸，湿热拉伸段长度为0.8米，具体条件为：湿度100％，环境温度98℃，第一辊的速度为2000m/min，第一辊的温度75℃，第二辊的速度为2200m/min，第二辊的温度120℃；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度3％、双折射率0.07和非晶区的反式构象含量75％；

经湿热拉伸后的纤维，继续进行总倍率为5.5倍的热拉伸(热拉伸分两级：第一级热拉伸温度为160℃，拉伸倍率为3.4倍；第二级热拉伸温度为195℃)和温度为160℃的热定型，得到聚酯工业丝的单丝纤度为9.6dtex，断裂强度为8.6cN/dtex，断裂伸长率为13％，断裂强度不匀率为1.8％，断裂伸长不匀率为4.5％。

实施例7

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为1.05dL/g的聚酯挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行倍率为3.0倍湿热拉伸，湿热拉伸段长度为0.8米，具体条件为：湿度100％，环境温度90℃，第一辊的速度为2000m/min，第一辊的温度75℃，第二辊的速度为2500m/min，第二辊的温度120℃；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度5％、双折射率0.08和非晶区的反式构象含量70％；

经湿热拉伸后的纤维，继续进行总倍率为3.5倍的热拉伸(热拉伸分两级：第一级热拉伸温度为140℃，拉伸倍率为2.9倍；第二级热拉伸温度为155℃)和温度为158℃的热定型，得到聚酯工业丝的单丝纤度为5.5dtex，断裂强度为8.5cN/dtex，断裂伸长率为15％，断裂强度不匀率为2.2％，断裂伸长不匀率为3.8％。

实施例8

一种聚酯工业丝的拉伸方法，是将特性粘度为1.15dL/g的聚酯挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行倍率为3.5倍湿热拉伸，湿热拉伸段长度为0.6米，具体条件为：湿度100％，环境温度95℃，第一辊的速度为1000m/min，第一辊的温度65℃，第二辊的速度为1500m/min，第二辊的温度110℃；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度4％、双折射率0.05和非晶区的反式构象含量55％；

经湿热拉伸后的纤维，继续进行总倍率为4.2倍的热拉伸(热拉伸分两级：第一级热拉伸温度为165℃，拉伸倍率为3.0倍；第二级热拉伸温度为180℃)和温度为160℃的热定型，得到聚酯工业丝的单丝纤度为8.5dtex，断裂强度为8.8cN/dtex，断裂伸长率为10％，断裂强度不匀率为2.5％，断裂伸长不匀率为4.1％。

Claims (4)

1.一种聚酯工业丝的拉伸方法，其特征是：挤出成形且集束后的聚酯纤维，在第一辊和第二辊之间进行湿热拉伸，具体条件为：湿度100%，温度80~98°C，拉伸倍率1.1~3.5倍；湿热拉伸段长度为0.4~0.8米；所述湿热拉伸在第一辊和第二辊之间进行：第一辊的速度为500~2200m/min，第一辊的温度为60~75°C，第二辊的速度为550~2500m/min，第二辊的温度为90~120°C；经所述湿热拉伸后，纤维的结晶度0~5%、双折射率0.04~0.08和非晶区的反式构象含量40~75%；经湿热拉伸后的纤维，继续进行热拉伸和热定型，得到聚酯工业丝的单丝纤度为2.2~9.6dtex，断裂强度为8.0~8.8cN/dtex，断裂伸长率为10~24%，断裂强度不匀率≤3%，断裂伸长不匀率≤5%。

2.根据权利要求1所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，其特征在于，聚酯特性粘度为0.9~1.2dL/g。

3.根据权利要求1所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，其特征在于，所述热拉伸的倍率为1.4~5.5倍，热拉伸温度为135~195°C。

4.根据权利要求1所述的一种聚酯工业丝的拉伸方法，其特征在于，所述热定型的条件：温度为150~165°C。